（信号与信息处理专业论文）多天线赋型空时编码应用.pdf

1 i y | 1 1 1 1 1 7 i f l 5 l l l l 9 1 1 2 i l i l o l l l 7 l 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 牛蝗垄 日期： l a lz ；f 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：土! 拯丝日期：量旦l ! ：三：! 导师签名：乒奔遥一日期：“立j l - o l 摘要 多天线赋型空时编码应用 摘要 近年来随着高数据率可靠业务需求的迅速发展，如何提高传输速率 和保证业务q o s 需求已经成为未来无线通信系统的研究重点。多输入 多输士i ( m i m o ) 技术在不增加系统带宽情况下利用空间中增加的信道在 发送端和接收端采用多天线同时发送信号，因此具有大幅度提高系统传 输速率的潜力。同时已经应用于t d s c d m a 系统的波束赋型技术 ( b e a m f o r m i n g ) 因其可以提供有效阵列增益且降低非目标用户干扰已 经证明有很强的应用性。所以m i m o b e a m f o r m i n g 结合的多天线技术成 为当前研究的热点。 已知波束赋型技术主要利用信道的强相关性特征，而传统m i m o 传输需要各径信道的相对独立，两者本身存在矛盾，所以如何在m i m o 信道中体现两者结合的相关性是本课题的研究重点。已知若将天线阵列 分组，组内强相关符合波束赋型条件，组间弱相关甚至独立符合m i m o 传输要求。双极化的天线配置即可以解决上述问题，天线阵列分成两个 极化方向传输信号，即分成两组，组内小间距配置实现强相关，组间极 化相关，而且双极化方式可以有效降低天线占据空间，适用性很强。 论文首先对于多天线的发展做了概括性的介绍，其中包括m i m o 分集技术及其中的空时码技术和波束赋型技术。然后主要针对双极化天 线配置的m i m o 信道相关性进行建模，分别给出了空间相关矩阵、极 化相关矩阵和空间极化相结合的相关矩阵形式。同时，文中基于相关信 道给出信道容量公式并给出容量趋势仿真结果，证明随着相关性提高理 论容量降低；进一步文中对相关信道下的接收信噪比做以分析。 论文还对于m i m o 相关信道下的波束赋型技术进行深入研究，仿 真给出波束方向图，通过仿真方法给出波束赋型技术对于误码率性能提 升的结论。同时，在双极化相关信道环境下仿真分析了波束赋型与空时 分组码相结合的方案，从仿真结果可以看出相对于传统空时分组码方案 性能有一定提升。 码 关键词：多输入多输出波束赋型双极化相关信道模型空时分组 邮电大学硕士学位论文 摘 k ， i 北京邮电大学硕士学位论文a b s t r a c t a p p l i c a t i o no fj o l n tb e a m f o r m i n ga n ds t c i nm u i j r i a n t e n n as y s t e m s a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr e q u i r e m e n tf o rd a t ar a t e sa n d r e l i a b l et r a n s m i s s i o n ，h o wt oi m p r o v et h et r a n s m i s s i o nr a t ea n dg u a r a n t e e t h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) b e c o m e sak e yr e s e a r c hp o i n to ff u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u e b e c o m e sa ni n d i s p e n s a b l er o l ef o ri t s c a p a b i l i t yt oi n c r e a s et h es y s t e m c a p a c i t yw i t h o u ti n c r e a s i n g t h es y s t e mb a n d w i d t h a tt h es a m et i m e ， b e a m f o r m i n gt e c h n i q u ew h i c hh a sb e e na p p l i e di nt d s c d m as y s t e m ，h a s b e e np r o v e dt op r o v i d ee f f e c t i v ea r r a yg a i na n dr e d u c en o n - t a r g e t u s e r s i n t e r f e r e n c e ，a n di th a sv e r ys t r o n ga p p l i c a b i l i t y h e n c e ，t h er e s e a r c ho n m u l t i a n t e n n at e c h n i q u eo fj o i n tm i m oa n db e a m f o r m i n gb e c o m e sah o t r e s e a r c hp o i n t i ti sk n o w nt h a tb e a m f o r m i n gm a i n l yu s e st h eh i g hc o r r e l a t i o no ft h e c h a n n e l s w h e r e a st h et r a d i t i o n a lm i m 0 r e q u i r e st h ei n d e p e n d e n c eb e t w e e n e a c hp a t ho ft h ec h a n n e l s ，s oh o wt or e f l e c tt h ec o m b i n a t i o no ft h et w o t e c h n i q u e si nm i m o c h a n n e li st h em a i np o i n to ft h i st o p i c i nt h i sp a p e r , a g e n e r a li n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fm u l t i a n t e n n at e c h n i q u ec o m e s f i r s t ，w h i c hi n c l u d e sm i m od i v e r s i t ya n di t ss u b - t o p i co fs p a c e t i m ec o d i n g a n dt h e nb e a m f o r m i n gi si n t r o d u c e db r i e f l y t h e n i tm a i n l yf o c u s e so nt h e c o r r e l a t i o nm o d e l i n go fm i m 0c h a n n e l w h i c hi n c l u d e st h e s p a t i a l c o r r e l a t i o nm a t r i x ，t h ep o l a r i z e dc o r r e l a t i o nm a t r i xa n dt h ei o i n ts p a t i a la n d p o l a r i z e dc o r r e l a t i o nm a t r i x m e a n w h i l e b a s e do nt h ec o r r e l a t e dm i m o c h a n n e lm o d e l ，t h i sp a p e rp r o v i d e st h ec h a n n e lc a p a c i t yf o r m u l a t i o na n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h et r e n d st h a tt h ec a p a c i t yr e d u c e sw i t ht h ec h a n n e l c o r r e l a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h es i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) i nt h ec o r r e l a t e d c h a n n e li sd i s c u s s e d t h e n ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e sb e a m f o r m i n gt e c h n i q u e i nm i m o c o r r e l a t e dc h a n n e l ，a n dg i v e st h ea n t e n n ad i r e c t i o np a t t e r nb ys i m u l a t i o n t h ec o n c l u s i o no fi m p r o v e m e n to fb i te r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c ei s d r a w nt h r o u g hs i m u l a t i o n m e a n w h i l e ，t h e c o m b i n a t i o ns c h e m e so f b e a m f o r m i n ga n ds p a c e t i m e b l o c kc o d ei n d u a l - p o l a r i z e d c o r r e l a t e d c h a n n e le n v i r o n m e n ti sd i s c u s s e d ，a n di ti ss h o w nt h a tt h ep e r f o r m a n c ei s i m p r o v e dc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls p a c e - t i m eb l o c k c o d e k e yw o r d s ：m i m o ，b e a m f o r m i n g ，d u a l - p o l a r i z e dc o r r e l a t e dc h a n n e l ， s t b c _ 1 、 j ! 室坚皇盔兰堡主兰篁堡奎旦茎 目录 o ， f 第1 章绪论1 1 1 论文背景l 1 2 论文主要内容2 1 3 论文主要j f 作及创新点2 第2 章多天线技术介绍3 2 1 m i m o 技术介绍3 2 1 1概述3 2 1 2 系统模型3 2 2空时编码技术概述5 2 2 1分集技术6 2 2 2 具体分集编码方案7 2 3 智能天线技术介绍1 0 2 3 1智能天线的基本结构1 1 2 3 2 智能天线的工作原理1 2 2 3 3 智能天线对信噪比的改善1 2 2 3 4波束赋型技术演进1 3 2 4 本章小结1 4 第3 章m i m o 相关信道的研究1 5 3 1 信道相关性建模1 5 3 1 1 信道相关矩阵。1 6 3 1 2 信道空间相关性分析1 7 3 1 3 信道极化相关性分析2 l 3 1 4 信道空间极化结合相关性分析2 4 3 2m i m o 信道容量分析2 7 3 2 1 m i m o 独立信道容量2 7 3 2 2 m i m o 相关信道的理论容量3 0 3 3m i m o 相关信道的接收信噪比分析3 3 3 3 1 s i s 0 和信道不相关m i m 0 系统的信噪比( s n r ) 3 4 3 3 2 m i m 0 相关性信道的信噪比3 4 3 4本章小结3 7 第4 章相关信道下的波束赋型技术研究3 8 4 1 两种波束赋型算法3 8 4 1 1g o b 算法3 8 4 1 2 e b b 算法3 9 4 1 3 g o b 算法与e b b 算法的比较3 9 4 2 波束赋型方向图4 0 4 2 1 方向图的基本概念4 0 4 3 波束赋型与m i m o 技术的结合方案4 2 4 3 1 波束赋型与m i m o 技术与相结合的思路4 2 4 3 2波束赋型与mim 0 技术结合的两种天线配置方案4 3 北京邮电人学硕上学位论文目录 4 4 波束赋型与空时分组码结合方案4 4 4 5 本章小结4 5 第5 章仿真结果及分析4 6 5 1 方向图4 6 5 2 赋型空时编码性能比较一：4 8 5 3 本章小结5 0 第6 章总结与展望5 l 第7 章参考文献5 2 第8 章致谢5 4 第9 章攻读学位期间发表的学术论文5 5 i 章绪论 i 1 论文背景 移动通信是当今通信领域内最为活跃、发展最为迅速的领域之一。移动通信的 最终目标是实现任何人可以在任何地点、任何时间与其他任何人进行任何方式的通 信。在过去的十几年里，移动通信技术获得了空前的发展，经历了从传统的单基站 大功率系统到蜂窝移动系统、从模拟移动通信系统到数字移动通信系统、从提供话 音业务到提供包括低速数据传输的综合业务的发展过程。通常把2 0 世纪8 0 年代至 今出现的商用移动通信技术分为3 代，如图1 1 所示。 第一代 ( 2 0 世纪8 0 年代) 第二代 世纪9 0 年代) 图1 1 移动通信系统的发展 当前，无线通信技术正朝着大容量、高传输率和高可靠性方向发展，频率资源 的严重不足已成为遏制发展的主要瓶颈。同时，在无线通信中，发射信号在传播过 程中往往会受到环境中的各种物体所引起的遮挡、吸收、反射、折射和衍射的影响， 形成多条路径信号分量到达接收机。不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相 位和振幅，并附加有信道噪声，它们的叠加会使复合信号相互抵消或增强，导致严 重的衰落。 北京邮电人学硕：l ：学位论文 第1 章绪论 因此，能提供更大信道容量和频谱利用率的编码、调制和信号处理的新技术成 为了目前无线通信研究的热点。总结近二十多年人们在无线通信技术方面的研究成 果，提高频谱效率或增加信道容量所采用的最重要的技术就是多天线技术。将智能 天线的波束赋型技术同空时编码技术结合到一起，能够在很大程度上改善系统的性 能。 1 2 论文主要内容 本论文主要对于m i m o 相关信道进行分析，给出不同天线配置模式下相关矩阵 的计算公式，其中包括信道空间相关性和极化相关性，以及空间极化相关和极化相 关的结合；进而文中得出相关信道容量公式和相关信道信噪比；然后对波束赋型技 术进行深入研究，包括方向图与信噪比增益，同时利用m i m o 相关信道建模实现波 束赋型仿真方法；最后将波束赋型技术与空时分组码技术结合在一起，提出一种新 型的波束赋型演进方向，并验证其性能较传统系统有一定提升。 下面介绍本论文的大致组成情况。在论文的第二章，首先介绍m i m o 系统的原 理、特点，然后介绍了分集技术与其中主要的空时编码技术，其中重点介绍了s t b c 码的发送和接收方案，最后介绍智能天线的基本结构、工作原理和对信噪比性能的 改善。第三章对m i m o 相关信道( 空间相关、极化相关、空间和极化相关的结合) 行分析，给出基于信道相关矩阵的信道建模方法，得出相关信道容量公式及相关信 道信噪比。第四章对波束赋型技术进行研究，给出方向图及波束赋型演进方向。第 五章通过仿真证明波束赋型与空时分组码结合使用的可行性并体现了其性能的提 升。第六章是对论文的总结和对未来工作的展望。 1 3 论文主要工作及创新点 本论文完成的工作和创新点有四方面： 1 、基于信道相关矩阵建模的m i m o 相关信道建模方法； 2 、分析m i m o 相关信道的容量及信噪比； 3 、给出双极化信道相关矩阵； 4 、利用m i m o 相关信道建模仿真波束赋型技术与空时分组码相结合并给出仿真结 果。 下面，本论文将分章节逐个介绍以上研究内容。 北京邮电大学硕士学位论文第2 章多天线技术介绍 第2 章多天线技术介绍 2 1m i m o 技术介绍 2 1 1 概述 1 9 9 8 年f o s c h i n i 从信息论的角度证明了在准静态平稳瑞利衰落条件下，发端和 收端分别配置m 根天线，n 根天线，当n 大于等于m 的条件下，获得的信道容量与 发送天线数目m 成线性正比关系。多输入多输出( m i m o ) 系统的基本原理就是在发 送端和( 或者) 接收端都安多副天线，将高速的数据流通过串并变换或者编码和映射， 分配到不同的发射天线上发送出去，经过多个支路的多径传输后，多副接收天线上 的接收信号经过匹配滤波，再进行适当的译码和反映射，从而恢复原始发送数据。 采用m i m o 技术，信道容量会随着天线数量的增大而线性增大。 通常情况下，m i m o 系统使用分布式天线，天线单元间距较大，天线上信号可 以认为是独立的。m i m o 技术有效利用了随机衰落和多径传播来提高信道的可靠 性，降低误码率，其优势在散射物丰富的环境中可以得到充分的体现。 2 1 2 系统模型 根据信道收发两端天线数量，相对于普通的s l s o ( s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) 系 统，m i m o 系统还包括s l m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i i n p u t s i n g l e o u t p u t ) 系统。如图2 - 1 给出了一个简单的m i m o 系统： 发送天线 接收天线 数据 处理 信道矩阵h 北京邮电人学硕上学位论文 第2 章多天线技术介 在发送端，二进制数据流进入发送信号处理模块，在这里进行错误控制编 映射复调制，数字信号被映射成几个单独的符号流，然后送到各副发送天线上 过向上变频、滤波和放大后发送出去。如果要获得最大的分集增益或者最佳误 性能，则可以采用空时网格码 1 】、空时分组码 1 4 】或其它编码方式 2 、3 】。如果 得到最大空间复用增益或者最大数据传输速率，那么可以采用分层空时码 4 、5 在接收端，接收机将多副接收天线接收的信号进行向下转换、匹配滤波、 处理和译码，以恢复原始数据。 假设一个m m i m o 系统，即发送端有m 个发送天线，有个接收天线， 在收发天线之间形成m 复信道矩阵日，则某一时刻f ，复信道矩阵日( f ) 为： 日( f ) = k 。k 。 k 。 噬，。噬，： 噬， ，。取，州 ( 2 - 1 ) 为了简化，下面的论述中我们省略式( 2 1 ) 中的时间变量t 。在式( 2 - 1 ) 中， 吩，( 1 f ，1 m ) 表示矩阵日的第( f ，) 个元素，代表从第，根发射天线到第f 根接收天线之间的信道衰落系数。假定根接收天线中每一根天线的接收功率等于 总的发射功率，这种假定，实际上忽略了信号传播过程中的信号衰减和放大，包括 阴影、天线增益等。于是得到了有确定系数的信道矩阵日的元素的规范限定，如下 式所示： m 2 = m ，i = l ，2 ，n 产1 ( 2 2 ) 当信道矩阵元素为随机元素时，就是对上面的表达式取期望值。 在我们研究的无线信道里，在大多数情况下，假定矩阵h 的元素，式服从瑞 利分布，因为对于非视距( n l o s ) 无线传播来说，它是最具有代表性的。 在接收端，噪声可以用n x l 的列矩阵，l 来描述，如下式所示： 咒= ( m n 2 ) 。( 2 - 3 ) 式中( t 表示矩阵的转置。矩阵刀中的元素t l i ( 1 f ) 是服从零均值，方差为l 的 北京邮电大学硕士学位论文 第2 章多天线技术介绍 副高斯随机变量，它具有独立的、方差相等的实部和虚部。接收噪声的协方差矩阵 为 色广e 泗h ( 2 - 4 ) 如果n 的元素之间统计独立，则接收噪声的协方差矩阵为 毛，n = 仃2 l ( 2 5 ) 个接收分支中每一个都有相同的噪声功率旷，l 是秩为n 的单位矩阵。 接收矢量y 可以表示为 y 2 胁+ 刀 ( 2 6 ) 在式( 2 6 ) 中，y 是1 的复矢量，其中每一个复元素代表一根接收天线的接收信号： y 2 ( 乃耽蜘) 1 ( 2 - 7 ) x 是发射矢量，其中每一个元素代表一根发射天线的发射信号： z = ( 五屯) t ( 2 8 ) 令e 表示每根接收天线输出端的平均功率，则每根接收天线处的平均信噪比( 田恹) 定义为 y 2 ( 2 - 9 ) 假定每根接收天线的总接收功率都等于总的发射功率，则s n r 等于总的发射功率和 每根接收天线的噪声功率的比值，而且它独立于发射天线数m ，可写为 p 厂2 了 仃 ( 2 一l o ) 式中p 表示总的发射功率。 2 2 空时编码技术概述 空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ，s t c ) 是m i m o 系统的基本传输形式。对于 m i m o 系统，在理想情况下信道容量将随发送天线数线性增加，从而提供其他技术 无法达到的容量潜力；其次由于多天线发送和接收技术也可以看成是空间分集和时 间分集技术的结合，有很好的抗干扰能力；同时，空时编码利用时间和空间两维信 号处理来构造码字，将信道编码、调制、发送分集和接收分集有机的结合，能够有 效的提高传输可靠性，同时可以实现信息的并行多路传输，提高信息传输速率【7 】。 北京邮电人学硕士学位论文第2 章多天线技术介绍 v - b l a s t 3 0 是空间复用最简单的编码方式，实现分集增益可以采用空时分组 码( s p a c e t i m eb l o c kc o d e ，s t b c ) 8 1 0 】和空时网格码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ， s t t c ) 1 1 - 1 2 】：空时分组码一般主要是为了获得分集增益，而没有充分的编码增益， 其中正交分组码( o r t h o g o n a ls t b c ，o s t b c ) 的具有最低的最大似然译码( m a x i m u m l i k e l y h o o d ，m l ) 译码复杂度；空时网格码同时具有分集增益和编码增益，但是接 收端需要采用v i t e r b i 译码，复杂度随状态数成指数上升。本论文中对空时编码的研 究主要集中在空时分组码方面，即利用空间多径衰落的独立性，通过数字信号处理 的方法，提供分集增益，包括发射天线分集、接收天线分集。对于一个m i m o 系统， 只要接收端采用最大似然检测，接收天线分集总是能够达到的。 以下两节对分集技术和作为分集传输的具体空时编码进行详细介绍。 2 2 1 分集技术 空时编码技术本质上是传输分集的扩展，是将信道编码与传输分集技术进行了 结合。分集技术【1 3 】的采用提高了系统的抗衰落性能，而信道编码技术则提高了无 线数据传输的可靠性。分集主要分为“宏分集”和“微分集”两类。宏分集也称 为“多基站分集”，通过将多个基站设置在不同的地理位置上和不同的方向上的方 法来减少慢衰落的影响。而微分集则是为了减少快衰落，可以从空间、频率、极化、 角度及时间等方面实现信号之间的“不相关”，具体可以分成以下几类： l 、空间分集( s p a c ed i v e r s i t y ) 一般而言，在不同位置接收同一个信号，当接收机的天线间距旯2 ( 或者天线 之间具有不同的极化方式) 时，可以认为接收到的信号衰落是不相关的，旯为工作波 长。根据天线的使用情况，可以将空间分集分为接收分集和发射分集两大类。接收 分集即在接收端采用多根天线，通过利用接收发射信号的副本来降低多径衰落的影 响，从而提高误码率性能；发射分集则是在发送端采用多根天线，通过提供多个信 号副本来提高系统的误码率性能。发射分集又可分为有反馈方案和无反馈方案，区 别在于发射机是否需要信道信息。 空间分集效果随着分集支路数( 即阵元数) 增大而增大，但当支路数大于3 时， 系统地复杂性会增加，分集增益也会随着支路数的变大而变得缓慢。同时，考虑到 接收端几何体积和经济的因素，通常很难在同一终端( 如手机) 上设置两根以上的天 线，则很难在移动终端实现空间分集。 2 、频率分集( f r e q u e n c yd i v e r s i t y ) 频率分集是指以不同的频率发射信号，将频率选择性信道转化为平坦型信道， 从而提高系统性能。如分多路接入( t d m a ) 系统中的均衡器，g s m 系统中的频率突 跳( h o p p i n g ) 和d s c d m a 系统中的r a k e 接收机，均是实现频率分集的方式。 北京邮电大学硕士学位论文第2 章多天线技术介绍 信道的相关带宽墨= 1 2 z r a ，其中为时延扩展，如果频率间隔大于相关带宽 时，则受到的衰落是不相关的，频率分集可以实现。当信号的时延扩展在码元周期 中占的比例很小时，就不存在频率分集了。 3 、角度分集( a n g l ed i v e r s i t y ) 信号分别通过不同的路径并以不同的角度达到接收端，在接收段采用多个方向 性极强的接收天线，从而分离出来自不同方向的信号分量。由于这些分量之间是相 互独立的，从而可以实现分集的效果。 4 、时间分集( t i m ed i v e r s i t y ) 在不同的时间段内将同一信号多次发射，只要相互间隔时间足够大，则各次发 射信号所出现的衰落将是彼此独立的。可以采用信道编码和交织的方式来实现时间 分集。在高速移动( 快衰落) 的环境中很容易实现时间分集，而在慢衰落的环境中则 比较困难。 发射分集技术的本质是使得到达不同发射天线到达接收段的信号之间相互独 立，必须要求接收端能够区分出来自不同天线的信号，然后通过合并获得分集增益。 比较集中分集方式可知，空间分集技术没有时延和环境的限制，能够获得更好的系 统性能。传统的空间分集为接收分集，由于需要接收端对它收到的多个衰落特性相 互独立但携带同一信息的信号进行特定的处理，将大大增加接收端的复杂性。近年 来，由于发射分集只需在基站端增加天线，实现起来比较简单，成为了研究的热点。 2 2 2 具体分集编码方案 用来分集传输的空时码( s p a c e t i m e c o d e ) 技术是在1 9 9 8 年由v a h i dt a r o k h 等人 系统提出的，其主要包括两种：空时格型码( s t r c ，s p a c et i m et r e l l i sc o d e ) 和空时 分组码( s t b c 。s p a c et i m eb l o c kc o d e ) 。 1 、空时格型码( s t t c ) 空时格型码是t a r o k h 等人于1 9 9 8 年提出的 1 3 ，是由空时延迟分集技术发展 而来，具有卷积码的特征，将编码、调制、发射分集结合在一起，可以同时获得分 集增益和编码增益，使得系统的性能有很大的提升。空时格码的系统结构图如 图2 - 2 所示，空时格型码以牺牲部分频带利用率为代价换取了最大的分集增益。它 利用某种网格图，将同一信息经由多根天线发射出去，而在接收端采用基于欧氏距 离的v i t e r b i 译码器译码，其译码复杂度随着传输速率的增加呈指数增加。同时，当 状态数较大时，好码的网格图设计十分麻烦，所有这些均限制了s t t c 在实际通信 系统中的应用。 北京邮电大学硕士学位论文 第2 章多天线技术介绍 - 脉冲成形，调叫_ = l墨敞 一脉冲成肜，凋制心 j 蓼簧 一一脉冲成形调制l 弋 图2 - 2s t t c 编码示意图 2 、空时分组码( s t b c ) 空时分组码( s t b c ) 最早源于a l a m o u t i 于1 9 9 8 年提出的一种简单的分集发送方 案 1 4 】。该方案采用两根发射天线，将同一个信息经过正交编码后从两根天线发射 出去，且两路信号由于具有正交性，在接收端就能够将两路独立的信号区别出来， 只需要做简单的线性合并就可以获得分集增益。该方案性能比s t t c 稍差，但接收 端译码的复杂度却要少得多。t a r o k h 等人在此基础上根据广义正交设计原理提出了 正交空时分组码( o s t b c ) ，并可以应用到有更多发射天线的无线通信系统中。 空时分组码的系统结构如图2 3 所示，有效克服了格型码译码过于复杂的缺点， 接收端可以采用m l 检测方法或者线性处理技术。 m a d c o d es t b _ _ _ m a p c o d i n g p i n g m a d s t b c o d e - a n t i d e c o d i n g m a p p i n g 图2 3 空时分组码的系统结构 下文以a l a m o u t i 编码方式为例给出s t b c 传输模型。设s t b c 分集发送方案采 用两副发送天线，在两个连续的发射周期罩两幅天线的发射序列为x 1 = 五，一z 】和 工2 = 【恐，一i 】，为正交的，即内积为0 。 = 墨一x 2 x l + = 0 接收方案采用一幅接收天线的接收机模式，如图2 4 所示： 北京邮电大学硕士学位论文 第2 章多天线技术介绍 发射天线l 毛 一而 而 五 丫发射天线2 图2 4 空时分组码接收端系统结构 假设信道衰落系数在两个连续的发射周期中保持不变，两副发射天线到接收天 线的信道衰落系数分别为 和忽。啊和刀2 为加性高斯白噪声信号，是零均值、实部 和虚部方差等于o 2 的独立随机变量。那么，两个连续发射周期中的接收信号可 以表示为： ，i = 啊玉+ j l j 2 毛+ ( 2 - 1 1 ) r 2 = 一啊蔓+ j 1 2 i + 惕 ( 2 1 2 ) 最大似然译码器从调制星座图中选择使下面的平方欧氏距离最小的一对符号 ( 暑，是) 作为输出， d 2 ( ，盔毫+ 啊之) + d 2 ( 乞，一j l l 乏+ 如若) = i ，i 一向毫一魄毫1 2 + i 吃+ a 爰一吃并1 2 ( 2 1 3 ) 将式( 2 - 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 代入以上公式中可以得到， ( 毫，是) = a r g ( 怨。2 + 蚶一1 ) ( 时+ 时) + d 2 ( i ，毫) + d 2 ( 是，毫) ) ( 2 - 1 4 ) 其中，c 为所有可能发送符号对的集合，i 和戛是两个判决统计，分别表示为， i = 砰+ 吃眨= ( 限1 2 + i 吃1 2 五+ 耳啊+ 吃以：( 2 1 5 ) 蔓= 绣吒一啊= ( j 啊1 2 + | 吃j 2 ) 砭一霄，+ 绣q ( 2 1 6 ) 由式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) 可以看出，i 和五分别是五和屯的函数。因此，对于已知信道 北京邮电大学硕士学位论文 第2 章多天线技术介绍 衰落系数的情况，可以从式( 2 1 4 ) d o 得到两个独立的译码准则，即 暑= 擞r 。o a 外n 卅+ 蚶一1 ) 阿+ d 吨( i ，毫) 五2a r g ( 1 ，z l l + i i 1 ) i 五i + ( ，五) 是= 鹕勘! i ， ( - m mh 1 2 + i j l z 2 1 2 一1 ) l 岛1 2 + d 圯( 戛，x 2 ) ) 恐2a r g 【| ，z l i + l ，z 2 l l j l 而l + 。【而， 其中s 为所有可能发送符号的集合。 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 对于m p s k 信号星座图，在已知信道衰落系数的情况下， ( i7 l l l 2 + 1 7 1 2 1 2 - 1 ) 1 量, 1 2 ( f = l ，2 ) 对于所有发射信号都是恒定的。因此，式( 2 - 1 7 ) 和式( 2 1 8 ) 可进一步简化为 是= a r g m i n d 2 ( 暑，毫) ( 2 - 1 9 ) 是= a r g m i n d 2 ( j i 2 ，是)( 2 2 0 ) 至此，可以得到相应的检测符号。下面，进一步给出a l a m o u t i 传输方案的性 能分析。 由于发送序列的正交性，a l a m o u t i 方案能够实现满分集增益2 虬，设两个不 同的码字矩阵x 和皇分别由发送符号对( 五，恐) 和( 三，乏) 产生的，且( 毛，恐) ( 三，乏) 。 则码字差异矩阵为： b ( x ，量) ：l 矿j 一+ x 。2i l l 艺一x 2 五一x tj 码字矩阵是正交的，则码字差异矩阵也是正交的。那么，码字距离矩阵是对 角矩阵，可表示成： 彳( x ，j ) = b ( x ，启) b ( x ，j ) = | 五一毫1 2 + 0 l 恐一是ri 五一毫i ：+ 0 i 恐一是l ： 对于不同的发送符号对，以上矩阵的对角元素不等于零。因此，码字距离矩 阵始终为满秩矩阵，a l a m o u t i 方案实现了完全发射分集。 2 3 智能天线技术介绍 智能天线( s m a r ta n t e n n a ，s a 或i n t e l l i g e n ta n t e n n a ，i a ) ，原名自适应天线阵列 ( a d a p t i v ea n t e n n aa r r a y ，a a a ) ，是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础发展起 来的，最初主要应用于雷达、声纳、军事等方面的空间滤波和定位。移动通信中，使 用智能天线技术可有效解决频率资源匮乏的问题，同时还可提高系统容量和改善通 信质量。智能天线采用先进的自适应空间数字处理技术产生空间定向波束，使天线 北京邮电大学硕士学位论文第2 章多天线技术介绍 主波束对准用户信号到达方向，同时在干扰信号到达方向形成零陷，以达到充分高 效提取期望用户信号，并删除或抑制干扰信号的目的。作为t d s c d m a 系统的关 键技术，智能天线在未来移动通信中也会发挥其优势，本节主要针对传统智能天线 的结构和其中主要的波束赋型技术进行讨论。 2 3 1 智能天线的基本结构 如图2 5 所示，智能天线系统主要由以下几部分组成： 1 、天线阵列部分 天线阵元数量和天线阵元的配置方式都对智能天线的性能有着直接的影响。阵 元组阵方式存在很多，典型阵列形状大致可分为：线阵、面阵、圆阵等，这里采用 线阵。 智能天线作为一种阵列天线，它是调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵 列的方向图形状，即自适应或以预置方式控制幅度、指向和零点位置，使波束总是 指向期望方向，而零点指向干扰方向，实现波束跟着用户走，从而提高天线增益和 信干噪比( s t a r ) 。 2 、模数转换或数模转换部分 对于基站端的智能天线，在上行链路时，天线将接收到的模拟信号转换为数字 信号；而在下行链路时，则要将处理后的数字信号转换成模拟信号。 3 、波束形成网络部分 这一部分的主要功能主要体现为天线波束在一定范围内能根据用户需要和天 线传播环境的变化，通过数字信号处理器自适应地调整权值系数、w 2 ，以 调整到合适的波束形成网络，从而获得最佳的主波束方向。 图2 - 5 智能天线原理结构图 北京邮电大学硕士学位论文第2 章多天线技术介绍 2 3 2 智能天线的工作原理 智能天线的基本思想是：天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信 号，来自窄波束外的信号被抑制。假设满足天线传输窄带条件，即某一入射信号在 各天线阵元的响应输出只有相位差异而没有幅度变化，这些相位差异由入射信号到 达各天线所经过路线的长度差决定，若入射信号为平面波( 只有一个方向图) ，则这 些相位差由载波波长、入射角度、天线位置分布唯一确定。给定一组权值，一定的 入射信号强度，不同入射的角度信号由于在天线间的相位差不同，合并器的输出信 号强度也会不同。 用向量形式表示天线阵，定义权向量为 w = 【w w 2 w m 1 ( 2 2 1 ) 各个天线阵元的信号合成一个数据向量 u ( t ) = u o ( f ) ，u l ( f ) u m l ( f ) 】。 ( 2 - 2 2 ) 于是阵列输出信号在z ( t ) 为 z ( f ) = “。( f ) = w 日“( f ) = a s ( t ) f ( o ，妒) ( 2 - 2 3 ) 其中a s ( t ) 是用基带复包络表示韵平面调制波，f ( o ，缈) 是阵列因子，它是波达 方向( p ，缈) 的函数，决定了阵列输出信号z ( t ) l 5 信号么j ( f ) 的比值，通过调整权集t j 可将阵列因子的最大主瓣对准任意方向。而 f ( o ，妒) = a ( o ，缈) ( 2 2 4 ) a ( o ，伊) 是( 0 ，缈) 的导引向量，当平面波从( 护，缈) 方向入射时，导引向量a ( o ，